引洮供水一期工程7号隧洞设计断面为圆形，设计开挖直径5.75m，采用北方重工（法国NFM提供技术支持）设计制造的直径5.75m单护盾TBM施工，管片设计为六边形，纵向为凹凸面凹凸面球窝自锁结构，设计外径mm，内径mm，环片厚度为mm，环片宽度为mm，每环管片分4块（1块底管片，2块侧管片，1块顶管片），单块最大重量约5.2t。管片背后上部°范围进行豆砾石（5mm～10mm）回填灌浆，下部90°回填M15水泥砂浆。

TBM在掘进至某里程时，岩石为厚层状砂岩，粉粒结构，局部含钙质结核，强度约为1MPa，遇水极易软化、崩解，围岩自稳性差，开挖面塌方比较严重，出渣量较正常掘进时大了很多，地层中含有地下水，在临空面以喷泉的形式涌出，形成夹带砂子的涌砂现象，盾尾开口处较为严重，以致TBM的推力增大，TBM被迫停机，先后多次致使刀盘被卡、盾体被困，从而导致施工中断，严重影响工程工期。

针对7号隧洞TBM法施工过程中出现的严重地质问题，经专家论证，认为该TBM不适应7号隧洞含水粉细疏松砂岩施工，将被困的TBM解体。由中铁工程装备集团有限公司对该单护盾TBM进行了地质适应性改造，采用了自主最新专利技术，重新设计和制造了盾体及刀盘，运至隧洞进口组装并掘进。

中铁工程装备集团改造的引洮单护盾TBM

经改造后的甘肃引洮单护盾TBM于年8月17日开始掘进，施工单位中铁隧道集团有限公司年9月份创月掘进m纪录；10月份创.6m纪录，11月份再创月进尺m的世界纪录。实现了刀盘的高效破岩和盾体的有效脱困，解决了国内外单护盾TBM长期未解决的世界级施工难题。

1刀盘改造关键技术

①刀盘改为双向旋转

在掘进过程中，盾体会受到反作用力产生滚动。原刀盘在掘进过程中只能顺时针旋转，盾体一直为逆时针滚动。为了抑制盾体滚动，须调整推进油缸的角度。这样推进油缸就会产生一个圆周方向的力作用在管片上，直接导致管片滚动。只有刀盘在掘进过程中采用双向旋转，才能妥善解决管片滚动问题。

新刀盘设计采用了双向刮渣口，改进后的TBM在掘进过程中可以双向旋转，这样便不需要调节推进油缸的角度，而是利用刀盘的双向旋转来调整盾体的滚动。

②边刀重新布置

原刀盘设计42把刀具，中心刀为4把双刃滚刀，正滚刀31把，边刀3把。

新的刀盘设计为39把刀具，中心刀为4把双刃滚刀，正滚刀30把，边刀1把。

③边刀扩挖采用垫块模式

原刀盘M39号、M41号和M42号刀座设计为可移动刀座，刀座与刀盘采用螺栓连接。若需要扩挖时，拆除连接螺栓，在刀座移动到所需的开挖半径位置。

正常掘进时M39号和M42号刀孔不安装刀具，用钢板将刀孔封住。若需要扩挖时，在此刀孔安装刀具即可。

新刀盘设计的扩挖形式采用垫块模式。扩挖半径可以加大15mm、25mm和50mm。每个加高间距需要加高5把刀具，即M35号～M39号。针对不同的加高半径，M35号～M39号都需加装不同高度垫块，以保证刀盘圆弧区域的平滑的开挖轮廓线。

原设计采用移动刀座的扩挖方式，操作比较繁琐，在单护盾刀盘不能后退的情况下，在刀盘内部移动刀座相当困难。刀座移动也不能保证圆弧区域的刀尖轮廓线平滑过渡。

新设计采用垫块方式，操作简单快捷，圆弧区域的刀具轨迹和刀间距能实现平滑过渡。

④刀盘结构优化

原刀盘按照硬岩标准设计，刀盘结构过于偏重，不适合在疏松的围岩使用。

新刀盘优化了刀盘的厚度，原设计长度为mm，新刀盘减少到mm。

从前盾前沿到刀盘刀尖的距离也由原来的mm减少到mm。

由于刀盘结构的优化，刀盘在疏松的岩层中掘进，大大减少了围岩对刀盘产生的切削阻力。刀盘的重量从原来的80t减少到60t，大大缓解了由于盾体较长，刀盘和前盾“载头”现象。

⑤刀盘表面耐磨层优化

原刀盘表面的耐磨层采用10mm厚hardox钢板，在砂岩中刀盘面板磨损较大。新刀盘面板采用SACR碳化铬复合板，以增加其耐磨性。

2盾体改造关键技术

①前盾改进设计

改进后，前盾上部比下部长mm。改进后，加大了刀盘圆周方向刮渣口的进渣能力，提高了TBM的掘进速度。在高贯入度情况下，前盾喇叭口处的渣堆积量较少，减少边刀弦磨。

②盾体周边开设注射孔

在盾体周边开设注射孔，在围岩出现坍塌或收敛时，利用注射孔向盾体外壁注废油或膨润土，以减少盾体和围岩的摩擦阻力。

③推进油缸布置优化

原推进油缸分上下左右四个工作区域，共计16根，每区4根油缸。新设计的推进油缸仍按照4区分布，底部区域增加一根推进油缸，共计17根推进油缸。

增加的推进油缸的油路并联在底部一组的推进油缸，在油缸两个腔的进出油口处安装球阀，需要使用时将球阀打开即可。

增加的推进油缸在正常地质洞段掘进时不使用，在以下情况下使用：在TBM遇到坍塌或围岩收敛时，需要增加推力时使用；调整TBM掘进姿态时，需要加大底部油缸与顶部油缸推力差时使用。

④改进盾尾结构形式

由于底部管片底部45°为支墩，由此尾盾设计为底部60°开口。

原盾尾底部°区域为40mm钢板，上部°为50mm。

改造后的盾尾60°～90°区域为25mm钢板，90°～°区域为40mm钢板，其余为50mm。

改造后的盾尾加大了盾尾间隙，有效提高了管片安装质量。

⑤前盾设置延伸护盾安装孔

在前盾前沿上部°区域开设两排直径为33mm的孔。前盾延伸后可以有效减少围岩对刀盘产生的切削阻力，TBM则能在含水率较低的疏松砂层中顺利掘进。

引洮供水7号隧洞TBM始发

引洮供水7号隧洞内部

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节选自《中国竞争力-中国盾构》

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